玄武岩岩体层间错动带变形机制研究

郝小红，任冠松

(华北水利水电大学，河南 郑州 450045)

1 工程概况

层间错动带是经过原生建造、构造改造及浅表层改造过程，发育于相邻岩层分界处的缓倾角结构面．其带内物质多为经过构造运动、风化作用和渗透作用产生的岩块、角砾、岩屑、泥质．层间错动带具有延伸规模大、工程特性差等特点［1］． 因此，层间错动带被认为是影响岩体稳定性的重要结构面．目前，国内外专家和学者对层间错动带的变形机制研究还不全面，未形成比较系统的理论． 近些年，我国西南地区兴建的水利水电工程，在边坡和洞室开挖过程中多揭露分布广泛的层间错动带，层间错动带的破坏与变形在很大程度上影响着大坝的安全与稳定． 因此，研究层间错动带的变形机制具有很大的理论和现实意义．笔者以金沙江上某大型水电站工程为依托，通过对该坝区的层间错动带进行地质编录和变形试验获得的资料来分析玄武岩岩体层间错动带的变形规律．

1 坝区工程地质概况

所研究工程的坝区岩性主要为二叠系上统峨眉山组玄武岩，构造类型为单斜构造，岩层产状N30°～50°E、SE∠15° ～25°． 层间错动带是发育在坝区11个岩流层界面或靠近界面的构造错动带，在坝区分布广泛，总体来说是连续的，构成了坝区岩体结构的总体格架．据江权等［2］的总结，该区层间错动带工程特性有以下特点:①延伸规模大，连续性好;②带内物质与结构面类型复杂和多元化，表现为带内物质成分、含量随所处位置不同有明显差异，其规模和结构面类型、水文地质也存在差别，构成了其多元化的状态;③多为硬－软－硬复核岩体结构，错动带在未风化情况下的典型组合结构是下盘为坚硬的玄武岩，中间为泥化软层，上盘为较坚硬凝灰岩．

2 层间错动带地质条件和变形试验

对岩体进行开挖，势必造成错动带的应力条件和周边的接触环境发生变化，导致错动带带内物质被风化，甚至引起错动带产生错动． 因此，为减小扰动产生的影响，选择在边坡和洞室开挖后尽快进行了地质编录，采用刚性承压板法对层间错动带进行现场变形试验，获得了真实可靠的层间错动带相关物理力学参数．

2．1 物理力学参数的获取

经现场勘查，Ⅰ号、Ⅱ号、Ⅲ号、Ⅳ号缓倾角层间错动带对坝区工程稳定性起主要影响作用． 为研究此4 条层间错动带的变形特性，须掌握层间错动带的地质发育特征和物理性状，故进行下列地质工作．

首先，在工程现场选取错动带发育比较典型的位置对4 条层间错动带进行地质素描． 其现场地质情况如图1 所示．

图1 研究区4 条层间错动带现场地质素描情况

其次，根据地质素描结果对工区发育的主要层间错动带进行结构面类型划分． 依据错动带内物质种类和含量进行结构面类型划分，一般分为泥、泥夹岩屑、岩屑夹泥、岩块岩屑四大类，结果见表1．

最后，在尽量减少扰动的情况下，将错动带内物质取样做室内试验，得到不同类型层间错动带物理力学性质参数，见表2． 由表2 可知:①不同类型结构面的c 和φ 值从低到高排序为:泥夹岩屑型、岩屑夹泥型、岩块岩屑型;②不同类型结构面含水率从高到低排序为:泥夹岩屑型、岩屑夹泥型、岩块岩屑型;③错动带内含水率越高、泥质越多，其结构面c 和φ值就越低．

表1 层间错动带的地质状况

表2 层间错动带物理力学性质取值表

2．2 层间错动带变形试验

层间错动带变形试验采用现场刚性承压板法，施加荷载方向为垂直于错动带延伸方向． 试验地点选在典型探洞内，试验步骤按照《水利水电工程岩石试验规程》(SL 264—2001)的要求进行［3］．

现场勘察发现，同一错动带内不同位置物质组成存在差异，根据这一现象，试验共选7 个有代表性的地点进行测试．其中:1、2 号试验点对应Ⅰ号错动带，其结构面类型均为泥夹岩屑;3、4 号试验点对应Ⅱ号错动带，其结构面类型均为岩屑夹泥;5、6 号试验点对应Ⅲ号错动带，其中第5 号点为泥夹岩屑型，第6 号为岩块岩屑型;7 号试验点对应Ⅳ号错动带，为泥夹岩屑型．

试验通过千斤顶施加载荷，使用对称布置在承压板上的4 只千分表测量岩体变形量． 根据工程设计及以往工程经验，试验分5 级加荷，采用逐级一次循环法，除2 号试验点第一级加荷为1．6 MPa，逐级增加压力为1．6 MPa，最大荷载为8 MPa 外，其余试验点的第一级加荷均为1．2 MPa，逐级增加压力为1．2 MPa，最大压力为6 MPa．按照规程［3］要求每次加压后记录下施加荷载和变形量．

岩体变形模量和弹性模量计算公式为

式中:E 为变形模量或弹性模量(当以全变形W0代入式中计算时为变形模量E0，当以弹性变形We代入式中计算时为弹性模量Ee)，MPa;W 为岩体表面变形，cm;P 为压力，MPa;D 为承压板直径，cm;μ 为岩体泊松比．

3 试验结果分析与对比

3．1 结果分析

对试验数据进行整理，计算出各级荷载作用下错动带垂直方向的平均变形模量:Ⅰ号错动带约为0．04 GPa，Ⅱ号错动带约为0．11 GPa，Ⅲ号错动带约为0．12 GPa，Ⅳ号错动带约为0．23 GPa．

根据试验数据，绘制各错动带变形试验的相关应力－应变曲线如图2 所示，分析各错动带的变形特征与规律．

图2 错动带各试验点应力－应变(σ－ε)曲线

1)Ⅰ号错动带．1 号试验点为凝灰岩组成的软弱夹层，带内凝灰岩为中至强风化状，且带内潮湿，所以该处的软弱夹层抗变形能力较弱，其变形过程符合典型的凝灰岩变形特征．从图2 中可以看出，1号试验点变形曲线首先为很小的一段近直线，再向下弯曲，最后为近直线延伸，因为凝灰岩中基本上不存在孔隙，所以几乎不存在压密变形阶段，曲线为弹—塑型曲线［4］．2 号试验点为由黄泥夹玄武岩块组成的软弱夹层，2 号曲线为标准的“S”形:低荷载时，泥质物与碎块石共同受力，其间及土中的孔隙受到压缩，曲线向上弯曲;随着荷载增大，荷载逐步转移到岩块上，最终岩块单独受力，岩块单独受力后首先发生弹性变形，这时曲线呈直线;由于泥质含量高，岩块受力集中，当荷载再继续增大后，岩块内有新的裂隙产生和局部破坏，发生塑性变形，曲线进入向下弯曲阶段．

2)Ⅱ号错动带．3 号试验点位于由强风化碎石块、次生黄泥及铁锰质组成的结构面上．在较低压力下，3 号试验曲线先向上弯曲，岩块内裂隙闭合和泥质孔隙被压密;随着压力增加，曲线进入近直线阶段，为岩块和铁锰质的弹性变形阶段;当荷载增大到6 MPa 仍为直线，表明未进入屈服状态．4 号试验点由较大厚度的黄泥组成，成分单一．在较低压力下，4号试验曲线先向上弯曲，为黄泥孔隙的压密阶段;随着压力增大，曲线进入近直线阶段;压力继续增大，曲线向下弯曲，变形进入塑性阶段［5］． 对比这两条曲线，3 号点处变形模量比4 号试验点明显偏大，说明单纯由黄泥组成的错动带易变形，而由强风化碎石块、次生黄泥及铁锰质组成的3 号试验点由于其含泥量少，当荷载增大到一定值后，碎石块和铁锰质起到了主要的承载作用，致使该处的总变形量偏小．

3)Ⅲ号错动带．5 号试验点位于由碎裂岩、糜砾岩及次生黄泥组成的结构面上，次生黄泥厚2 ～30 cm．在较低压力下，5 号试验曲线开始表现为向上弯曲，为碎裂岩、糜砾岩间孔隙的压密阶段;当压力增大，曲线进入直线阶段，为黄泥的压缩阶段;当压力进一步增大，曲线进入向下弯曲阶段，此时碎裂岩、糜砾岩发生塑性变形［6］．6 号试验点位于由凝灰岩块、碎石块、岩屑及泥质组成的结构面上，泥质分布不均．6 号试验曲线在较低压力下首先表现为向上弯曲，为岩块和碎石块孔隙的压密阶段;随着压力的增大，曲线变为近直线，此时岩块、凝灰岩发生弹性变形;当荷载为6 MPa 时，曲线未出现向下弯曲现象，说明在该级压力下未进入屈服阶段．对比这两条曲线，6 号试验点带内物质的抗变形能力较5 号点强．对比两组试验的带内物质，6 号点错动带内含泥量较5 号点少，且带内岩块以凝灰岩块、碎石块为主，岩块相对较完整，而5 号点带内岩块是以破碎程度较高的碎裂岩、糜砾岩组成，其完整性和强度均比6 号带内岩块差，因此产生上述结果．

4)Ⅳ号错动带．7 号试验点位于由泥质及块状岩石组成的结构面上，带内组成物质的种类与2 号试验点相似，但以岩块为主，即岩块含量远高于泥质．岩块是由玄武岩构成，泥质一般厚度为3 ～5 cm，最厚10 ～20 cm，分布不均．7 号试验曲线近似标准的“S”形．7 号试验点泥质较少，在受力过程中主要由岩块承担荷载，相同荷载下变形量明显小于2 号试验点，表现出相对较强的抗变形能力．

3．2 结果对比

对上述7 组变形试验得出的应力－应变曲线进行对比分析，结果如下．

1)同一错动带中由于局部位置组成物质存在差异，导致其强度和抗变性能力差别较大，在相同荷载下变形不均匀．

2)依据应力－应变曲线的形状，该工区的错动带内物质变形方式可归纳为两大类．

①1，4，5 号曲线走势相似，为向下弯曲平缓型．荷载超过弹性极限后，变形速度明显加快，3 条曲线外形平缓、变形量较大，此3 个试验点的错动带变形模量为0．02 ～0．03 GPa．对比3 组试验点的错动带带内主要物质组成，含水量均偏高，其中1 号试验点带内物质主要为强风化的凝灰岩，4 号点带内主要为黄泥，5 号点带内为碎裂岩、糜砾岩及次生黄泥，均为低强度、易变形的软弱物质．

②3，6，7 号试验曲线形状相似，总体趋势为陡直向上型．这3 个试验点错动带的变形模量相近，约为0．20 GPa，抗变形能力明显强于①类． 对比带内物质，含泥量较①类少是这3 个试验点的共同特点．其中3 号点为强风化碎石块、次生黄泥及铁锰质，6号点为凝灰岩块、碎石块、岩屑及泥质，7 号点为泥质及块状岩石，3 组试验点均含有自身强度、抗变形能力相对较高的岩块，增强了错动带抗变形能力．

3)带内组成物质的种类相同，但变形特点存在差异． 如2 号和7 号试验曲线，两线形态都为“S”形．在较低压力下，曲线先向上弯曲，裂隙闭合和泥质孔隙压缩，随着压力增大，曲线进入直线段，岩石或岩块发生弹性变形，最后曲线向下弯曲，产生塑性变形．两曲线外形相似，但斜率相差较大，2 号试验曲线平缓，7 号较陡．产生这一现象是由于7 号试验点错动带内泥质较少，所以泥质孔隙压缩阶段延伸比较短，在受力过程中主要由岩块承担荷载，而2 号点错动带内泥质较多，所以变形开始阶段延伸比较长，变形也快．由此可知:带内物质相同，其变形所包含的几个阶段相似，但由于带内物质的含量相差较大，其每个阶段对应的总变形量相差较大．

4)错动带变形曲线形状和变化趋势是由错动带内物质决定的，结构面类型不能决定变形曲线形状．如3，6，7 号试验点，3 号试验点的错动带结构面类型为岩屑夹泥型，6 号为岩块岩屑型，7 号为泥夹岩屑型．可见，此3 组试验点的错动带结构面类型不相同，但3 组试验得出的应力－应变曲线形状却很相近．

4 结 语

1)同一错动带不同位置带内物质不一定相同，其结构面类型也不一定相同，因此需要进行大范围、较全面的地质编录，通过统计确定主要的结构面类型．判定Ⅰ号错动带主要的结构面类型为泥夹岩屑型，Ⅱ号错动带为岩屑夹泥型，Ⅲ号错动带为岩块岩屑型，Ⅳ号错动带为岩屑夹泥型．

2)同一错动带中组成物质的差异，会导致不均匀变形产生．在物质组成相同的情况下，含水量增高或块石风化程度加大都会使错动带抗变形能力降低，而带内物质含高强度岩块会大幅度提高其抗变形能力．

3)通过对4 条错动带中典型结构面在相同荷载作用下变形结果的对比分析可知，就整条错动带而言，此次试验Ⅰ号错动带最大变形量大于0．3，平均变形模量只有0．04 GPa，极易产生变形;Ⅳ号错动带平均变形模量最大，为0．23 GPa，抗变形能力相对强些;Ⅱ号和Ⅲ号错动带平均变形模量相差不大，为0．11 ～0．12 GPa．所以，考虑到错动带的存在对坝体及地下洞室稳定性的影响，在工程施工过程中应对Ⅰ号错动带的变形予以重视，重点保持对Ⅰ号错动带的变形监测．

4)带内物质及含量决定着错动带的抗变形能力、变形曲线类型和变化趋势．带内物质相同或相似且各物质含量相近的错动带其变形曲线相似． 带内物质相同，但泥与块石的含量相差较大时，错动带的变形能力会受到影响，其变形曲线特征也不尽相同．

5)错动带内物质组成和其含量的多少决定了结构面类型，但结构面类型不能决定错动带的变形特征，即相同结构面类型的错动带对应的变形曲线可能有很大差别，变形模量相差也比较大．

［1］张倬元，王兰生，王士天，等．工程地质分析原理［M］．2版．北京:地质出版社，2004．

［2］江权，冯夏庭，周辉，等．层间错动带的强度参数取值探讨［J］．岩石力学，2011，32(11):3379 －3386．

［3］长江水利委员会长江科学院． SL 264—2001 水利水电工程岩石试验规程［S］． 北京:中国水利水电出版社，2001．

［4］何沛田，黄志鹏．层状岩石的强度和变形特性研究［J］．岩土力学，2003，24(增1):1 －5．

［5］刘祖典，李靖，郭增玉，等．陕西关中黄土变形特性和变形参数的探讨［J］．岩土工程学报，1984，G(3):25 －34．

［6］陈庆敏，张农，赵海云，等．岩石残余强度与变形特性的试验研究［J］． 中国矿业大学学报，1997，26(3):42－45．